Wyzwania z napięciem SST: Topologie i technologia SiC
Jednym z kluczowych wyzwań dla transformatorów stanu stałego (SST) jest to, że napięcie jednego półprzewodnikowego urządzenia mocy jest daleko niewystarczające do bezpośredniego obsługi sieci dystrybucyjnych średniego napięcia (np. 10 kV). Rozwiązanie tego ograniczenia napięcia nie opiera się na jednej technologii, ale raczej na podejściu "kombinacyjnym". Główne strategie można podzielić na dwa typy: "wewnętrzne" (poprzez innowacje technologiczne i materiałowe na poziomie urządzenia) i "zewnętrzne" (poprzez topologię obwodową).
1. Współpraca Zewnętrzna: Rozwiązanie poprzez Topologię Obwodową (Obecnie Najpopularniejsze i Najbardziej Dojrzałe Podejście)
To jest obecnie najbardziej niezawodne i szeroko stosowane podejście w aplikacjach średniego i wysokiego napięcia, o wysokiej mocy. Jego główna idea to "siła w jedności" - używanie szeregowych połączeń lub modułowych kombinacji wielu urządzeń do dzielenia wysokiego napięcia.
1.1 Szeregowo połączone urządzenia
Zasada: Wiele przełączników (np. IGBT lub SiC MOSFET) jest bezpośrednio połączonych szeregowo, aby wspólnie znieść wysokie napięcie. To jest analogiczne do połączenia wielu baterii szeregowo, aby osiągnąć wyższe napięcie.
Kluczowe wyzwania:
Dynamiczne balansowanie napięcia: Ze względu na małe różnice parametryczne między urządzeniami (np. prędkość przełączania, pojemność skupienia), napięcie nie może być równomiernie rozłożone między urządzeniami podczas szybkiego przełączania, co może prowadzić do przepięcia i awarii jednego z urządzeń.
Rozwiązania: Wymagane są złożone aktywne lub pasywne obwody balansujące napięcie (np. obwody hamujące, kontrola bramki), aby wymusić dzielenie napięcia, co zwiększa złożoność i koszt systemu.
2. Topologie wielopoziomowe (Obecnie Najpopularniejszy Wybór dla SST)
2.1 Zasada: To bardziej zaawansowany i wydajniejszy koncepcja "modułowego szeregowania". Generuje przybliżenie sinusoidy za pomocą wielu poziomów napięcia, tak że każde przełącznikowe urządzenie znieca tylko część całkowitego napięcia DC.
2.2 Popularne topologie:
Modularny wielopoziomowy konwerter (MMC): Jedna z najbardziej preferowanych topologii dla SST średniego i wysokiego napięcia. Składa się z wielu identycznych modułów (SM) połączonych szeregowo. Każdy moduł zwykle zawiera kondensator i kilka przełączników. Urządzenia zniecają tylko napięcie kondensatora modułu, efektywnie rozwiązując problem napięciowego stresu. Zalety obejmują modularność, skalowalność i doskonałą jakość fali wyjściowej.
Wielopoziomowy konwerter z lotnym kondensatorem (FCMC) i wielopoziomowy konwerter z diodami blokującymi (DNPC): Również często używane struktury wielopoziomowe, ale stają się strukturalnie i kontrolowo złożone, gdy liczba poziomów wzrasta.
Zalety: Podstawowe rozwiązanie ograniczenia napięciowego pojedynczych urządzeń, znacznie poprawia jakość fali wyjściowego napięcia i zmniejsza rozmiar filtrów.
3. Kaskadowa struktura wejście-szereg wyjście-równoległe (ISOP)
Zasada: Wiele pełnych, niezależnych jednostek przekształcania mocy (np. DAB, Dwustronny Aktywny Most) jest połączonych szeregowo na wejściu, aby znieść wysokie napięcie, a równolegle na wyjściu, aby dostarczyć wysoką prąd. To jest systemowa, modułowa konstrukcja.
Zalety: Każda jednostka to moduł standardowy niskiego napięcia, upraszczając projekt, produkcję i utrzymanie. Wysoka niezawodność (awaria jednej jednostki nie zakłóca pracy całego systemu). Bardzo odpowiednie dla filozofii modułowego projektowania SST.
4. Wzmocnienie wewnętrzne: Innowacje technologiczne na poziomie urządzenia (Przyszły kierunek rozwoju)
To podejście fundamentalnie rozwiązuje problem z perspektywy nauk materiałowych i fizyki półprzewodników.
4.1 Użycie półprzewodników o szerokim pasmie energetycznym
Zasada: Nowe pokolenie materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzemowianki (SiC) i azotan galiu (GaN), mają krytyczne pola elektryczne o rzędzie wielkości wyższe niż tradycyjny krzem (Si). Oznacza to, że urządzenia SiC mogą osiągać znacznie wyższe klasy napięcia przy tej samej grubości porównywane do urządzeń Si.
Zalety:
Wyższa klasa napięcia: Jedno SiC MOSFET może teraz łatwo osiągnąć klasy napięcia powyżej 10 kV, podczas gdy silikonowe IGBT są zazwyczaj ograniczone do poniżej 6,5 kV. To umożliwia uproszczenie topologii SST (redukcja liczby szeregowo połączonych urządzeń).
Wyższa wydajność: Urządzenia o szerokim pasmie energetycznym oferują niższe opory przewodzenia i straty przełączania, pozwalając SST działać na wyższych częstotliwościach, co znacznie zmniejsza rozmiar i wagę komponentów magnetycznych (transformatory, cewki).
Status: Urządzenia SiC o wysokim napięciu są obecnie gorącym tematem badań SST i uznawane są za kluczową technologię wiodącą do przyszłych rewolucyjnych projektów SST.
4. 2 Technologia superjunction
Zasada: Zaawansowana technika dla silikonowych MOSFET, która wprowadza naprzemiennie obszary słupkowe typu P i N, aby zmienić rozkład pola elektrycznego, co znacznie poprawia zdolność blokowania napięcia, jednocześnie zachowując niski opór na stanowisku.
Zastosowanie: Głównie stosowana w urządzeniach o klasie napięcia od 600 V do 900 V. Stosowana w stronie niskiego napięcia lub w sekcjach o mniejszej mocy SST, ale nadal niewystarczająca do bezpośrednich zastosowań średniego napięcia.
5. Porównanie
| Podejście rozwiązywania | Konkretna metoda | Podstawowa zasada | Zalety | Wady | Dojrzałość |
| Współpraca zewnętrzna | Szeregowo połączone urządzenia | Wiele urządzeń dzieli napięcie | Prosta zasada, szybkie realizowanie | Trudne dynamiczne dzielenie napięcia, złożona kontrola, duże wyzwanie niezawodności | Dojrzałe |
| Wielopoziomowy konwerter (np. MMC) | Modułowe podmoduły są połączone szeregowo, każdy moduł zniósł niskie napięcie | Modułowe, łatwe do rozszerzenia, dobra jakość fali, wysoka niezawodność | Duża liczba podmodułów, złożona kontrola, względnie wysoki koszt | Obecnie mainstream / dojrzałe | |
| Struktura kaskadowa (np. ISOP) | Standardowe jednostki przekształcania są połączone szeregowo na wejściu | Modułowe, silna odporność na awarie, prosty projekt | Wymaga wielu transformatorów izolujących, objętość systemu może być duża | Dojrzałe | |
| Wewnętrzne (innowacje urządzeń) | Szerokopasmowe półprzewodniki (SiC/GaN) | Materiał sam w sobie ma wysokie pole elektryczne, a zdolność do znieśnięcia napięcia jest naturalnie silna | Wysoka zdolność do znieśnięcia napięcia, wysoka wydajność, wysoka częstotliwość, uproszczona topologia | Wysoki koszt, technologia sterowania i ochrony jest nadal rozwijana | Przyszły kierunek / szybki rozwój |
| Technologia superjunction | Optymalizacja wewnętrznego rozkładu pola elektrycznego urządzenia | Poprawa wydajności w porównaniu do tradycyjnych urządzeń | Istnieje górny limit zdolności do znieśnięcia napięcia, trudno radzić sobie ze średnim napięciem | Dojrzałe (używane w niskonapięciowym polu) |
Jak rozwiązać ograniczenia klasy napięcia półprzewodnikowych urządzeń mocy w SST?
Najbardziej praktycznym i niezawodnym rozwiązaniem obecnie jest zastosowanie topologii wielopoziomowych konwerterów (szczególnie Modularnych Wielopoziomowych Konwerterów, MMC) lub kaskadowych struktur wejście-szereg wyjście-równoległe (ISOP). Te podejścia, oparte na dojrzałych urządzeniach krzemowych, omijają butelkowe gardło klasy napięcia pojedynczych urządzeń dzięki złożonym architekturą systemowymi.
Fundamentalnym rozwiązaniem dla przyszłości jest dojrzałość i obniżenie kosztów wysokonapięciowych półprzewodników o szerokim pasmie energetycznym, szczególnie krzemowianków (SiC). Gdy to zostanie zrealizowane, topologie SST mogą być znacznie uproszczone, umożliwiając skokowy postęp w wydajności i gęstości mocy.
W rzeczywistych badaniach i rozwoju SST często łączy się wiele technologii - na przykład stosuje się topologię MMC z urządzeniami SiC - aby osiągnąć optymalną wydajność i niezawodność.
